反应工程-管式反应器PFR

1、42/1CHAPTER 4 管式反应器(PFR)（Piston Flow Reactor）长江大学化工学院化学工程系42/2本章内容 理想流动模型 等温管式反应器的计算 管式与釜式反应器反应体积的比较 循环反应器 变温管式反应器的计算42/3 流动模型：是反应器中流体流动与返混情况的描述，这一状况对反应结果有非常重要的影响。1.基本概念 返混：在流体流动方向上停留时间不同的流体粒子之间的混合称为返混，也称为逆向混合。4.1 活塞流假设42/4活塞流模型（平推流） 基本假定： (1) 径向流速分布均匀，所有粒子以相同的速度从进口向出口运动。 (2) 轴向上无返混 符合上述假设的反应器，同一时刻进

2、入反应器的流体粒子必同一时刻离开反应器，所有粒子在反应器内停留时间相同。 特点：径向上物料的所有参数都相同，轴向上不断变化。1.基本概念层流湍流活塞流4.1 活塞流假设42/5 全混流模型：4.1 活塞流假设1.基本概念管径较小，流速较大的管式反应器可按活塞流处理Piston Flow Reactor 剧烈搅拌的连续釜式反应器可按全混流处理 基本假定： 径向混合和轴向返混都达到最大 符合此假设的反应器，物料的停留时间参差不齐 特点 反应物系的所有参数在径向上均一，轴向上也均一，即：各处物料均一，均为出口值42/6CSTR属全混流类的反应器PFR：不存在返混（轴向混合），效果与间歇釜一样，t-定

3、时，XA、YA相同.都属于理想化流动模型，是返混程度的两个极端。二者的差别：CSTRPFR 返混最大（）无（0）返混4.1 活塞流假设4.2 等温管式反应器的设计进入量 = 排出量 + 反应量 + 累积量 单一反应4.442/742/84.2 等温管式反应器的设计4.43.84.64.542/9变容: 等容过程： （4.8）式 间歇式 （4.9）式4.2 等温管式反应器的设计基本差别：对定态的PFR，反应物系的浓度系随轴向距离而变；与t无关， 而（4.9）式则说明间歇式物系浓度随时间而变，与位置无关。42/10该方程组初值为：解该方程组时，需首先选定反应变量，可以选关键组分的转化率或收率或各关

4、键反应的反应进度。然后将 Fi 和 变为反应变量的函数，即可求解方程组。解时一般用数值法。简单情况可解析求解。 复合反应对关键组分作物料衡算的结果，得到一常微分方程组4.2 等温管式反应器的设计4.1042/11对A的物料衡算：系统中只进行两个反应，都是独立的，所以关键组分数为2，因此，此三式中仅二式是独立的。对P的物料衡算：对Q的物料衡算： 复合反应4.2 等温管式反应器的设计 复合反应4.2 等温管式反应器的设计42/1242/13 复合反应对A的物料衡算：对P的物料衡算：k1 k24.2 等温管式反应器的设计42/14根据空时的定义对恒容均相反应，空时等于物料在反应器内的平均停留时间。对

5、变容反应，空时等否物料在反应器内的平均停留时间？原因是管式反应器的瞬时浓度表达式发生变化，t question？4.2 等温管式反应器的设计42/15自测题：乙醛气相分解生成甲烷与一氧化碳： 0.1g/s的乙醛蒸汽在520、0.1MPa于管式反应器（PFR)内分解，已知反应对乙醛为二级不可逆反应，k = 4.3m3/kmol s，计算： 35乙醛分解所需的反应体积； 90乙醛分解所需的反应体积； 若为CSTR，则、 结果如何？4.2 等温管式反应器的设计42/16 前提条件：进行相同的反应； 采用相同的进料流量与进料浓度； 反应温度与最终转化率相同。4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较 分三

6、种情况 1.正常动力学 2.反常动力学 3.反应速率有极大值的情况42/171.正常动力学达到相同的转化率，管式反应器所需的反应体积小于釜式反应器4.3 管式与釜式反应器反应体积的比较42/18对反常动力学情况，结论与正常动力学相反。2.反常动力学04.3 管式与釜式反应器反应体积的比较42/193.有极大值情况若:XAf Vrm若：XAf XAm ，则 Vrp 可能、0 ; 吸热：AD rA的，CF太接近Teq。CBADEF42/32图4.9 目标函数：VR最小。最佳进料温度，所需反应体积最小。 4.5 变温管式反应器42/33目标函数确立：1.单一反应常根据生产强度最大来确定操作温度。生产

7、强度：单位时间单位反应体积化产品产量。2.复合反应：目的产物的收率最大。4.6 管式反应器的最佳温度序列4.6.1 单一反应 不可逆反应或可逆吸热 温度尽可能高；42/34 可逆放热设一级放热 AP，其速率方程为：rA=k.CAo(1-XA)-XA/K K- 化学平衡常数 4.6 管式反应器的最佳温度序列(4.23)42/35K和 均为T的函数，对于Q0和XAf 一定，T K（4.23）中对数值增大，因子值则减少 ，导致Vr可能增大或减小，因此存在一最佳温度对应的Vr; or Vr和Q0一定时XAf最大。4.6 管式反应器的最佳温度序列(4.23)42/364.6 管式反应器的最佳温度序列令d

8、Vr/dT=0得出Topt。 对变温操作的管式反应器：（1）可逆吸热和不可逆反应：Topt先低后高的原则。（2）可逆放热反应：Topt由高到低。42/37设：（1）E1E2 ，先低温后高温；初期浓度高，rA；后期CA、CB，T保持较高的rA。（2）E1E2 ， T有利于提高生产强度4.6 管式反应器的最佳温度序列4.6.2 复合反应A + B1PA + B2Q42/38在等温间歇反应器中，如P为目的产物，则存在最佳反应时间；这一结论同样适合于PFR。控制与Top相等便达目的。 1.等温反应时，从收率最大的观点出发，不存在最佳操作温度的问题。 若E1E2，则T有利； E1E2，则T有利；4.6

9、管式反应器的最佳温度序列Ak1QPk242/392.若非等温操作：E1E2时，先高后低；先高是为了加快第一个反应，促使P的生产，待P累积到一定量后，降低温度以减小副产物Q的生成。E1E2 ，温度较高有利。4.6 管式反应器的最佳温度序列42/40 对1、2两反应而言，T有利P生成；4.6 管式反应器的最佳温度序列A + B1PQX23 对1、3而言，T有利；故T不能太高或太低，采用折中方法使P收率最大。E2E1E3，42/41（1） E1E2；E3E4；4.6 管式反应器的最佳温度序列XA + B1QP23Y4 为了获得更多P，首先须生成更多Q；而E1E2，低温有利，但因为E3E4低温有利于Q转化为付产物Y不利于转化成P，故低温并不能满足要求。高温操作使付产物X增多，不利于Q的生成，也就不可能获得更多的P，显然也不行。采用等温操作无论选定什么温度，P的收率均不高。在